[发明专利]具有低密度芯部和复合缝合加强件的复合结构

说明书

背景技术

本发明总体上涉及复合结构，并且更具体地涉及复合燃气涡轮发动机风扇叶片。

已知将复合宽弦风扇叶片用于在燃气涡轮发动机中使用。具有全复合宽弦风扇叶片的大型发动机与具有由金属合金制成的风扇叶片的大型发动机相比呈现出了显著的重量节省。

制造商不断为大型涡轮风扇发动机中、特别是包括风扇模块的大部分重量的风扇叶片中的更大的重量降低而努力。已知的是，静态复合结构的重量可通过将低密度材料(例如聚合物泡沫)用作夹置在复合片材之间的芯部材料而得到降低。然而，在旋转风扇叶片应用中，试验与分析已经识别出在该轻型芯部与导致分层的碳之间的界面处引起的高剪切应变，这对于风扇叶片应用而言是不可接受的。

因此，需要一种适于在旋转风扇叶片中使用的结合低密度材料的复合结构。

发明内容

该需要被本发明所满足，本发明提供了一种具有低密度芯部的复合结构。高拉伸强度缝线被缝合通过该芯部以增强其刚度和强度。

根据本发明的一方面，一种复合结构包括：芯部，该芯部具有一对相对的外表面并具有第一密度；环绕该芯部的复合铺层(layup)，该复合铺层包括嵌置在基体中并沿该芯部的外表面延伸的多层纤维，该复合铺层具有第二密度；和包括延伸通过芯部和复合铺层的至少一部分的纤维的缝线。

根据本发明的另一方面，一种制造复合结构的方法包括：将纤维缝合通过以下两者：芯部，该芯部包括一对相对的外表面，其中，该芯部具有第一密度；和环绕该芯部的复合铺层的至少一部分，该复合铺层包括沿芯部的外表面延伸的多层纤维，这些纤维嵌置在未固化的树脂基体中，其中，该复合铺层具有第二密度；以及同时对芯部、复合铺层、和纤维进行固化。

附图说明

参照结合附图进行的下列说明可最佳地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的一方面构建的涡轮发动机风扇叶片的示意侧视图；

图2是沿图1的线2-2获得的视图；和

图3是图2的一部分的放大图。

具体实施方式

参照附图进行说明，附图中相同的附图标记在各个视图中表示相同的元件，图1示出了用于高涵道比(bypass ratio)涡轮风扇发动机(未示出)的示例性复合风扇叶片10，该示例性复合风扇叶片10包括沿弦向方向C从前缘16延伸至后缘18的复合翼型件12。该翼型件12沿展向方向S从根部20径向向外延伸至尖端22。该翼型件12具有凹的压力侧24和凸的吸入侧26。

如在图2中所见，翼型件12被以复合铺层28构造而成，其中，芯部30设置在该复合铺层28中。术语“复合”总体上指的是包括支承在粘合材料或基体材料中的诸如纤维或颗粒之类的加强件的材料。在所示示例中，复合铺层28包括嵌置在基体中并大致平行于压力侧24和吸入侧26取向的多个层或层片(ply)32。适用材料的非限制性示例是嵌置在诸如环氧树脂之类的树脂材料中的碳(例如石墨)纤维。这些可作为单向地对齐到用树脂浸渍的条带中的纤维而市购得到。这种“预浸处理”条带可被形成为零件形状，并且经由高压灭菌过程或加压成形而被弯曲以形成轻质、刚硬、相对均质的物体。

芯部30具有总体上遵循翼型件12的形状的弧形翼型件形状并且分别由相对的凹的外表面34和凸的外表面36约束。芯部30包括诸如聚合物泡沫之类的低密度材料。如在本文中所使用的那样，术语“低密度”并非指的是芯部30的任何绝对量，而指的是芯部30的与复合铺层28的密度相比的相对密度。适用的芯部材料的一个非限制性示例是密度为复合铺层28的密度的约40％的弹性聚氨酯泡沫。

在操作中，作用在翼型件12上的气动力引起了倾向于将翼型件12“去拱形(decamber)”的弯曲力矩。翼型件12的刚度抵抗弯曲偏转。当芯部30在没有变形的情况下存在时，它的刚度(即杨氏模量)比环绕的复合铺层28的刚度大致低得多。这在位于芯部30与复合铺层之间的界面处导致了高层间剪切应力，这可能在操作状况下在复合铺层中引起分层。芯部30的刚度会被增大，但以增大其密度为代价，这会不利于将芯部30用于重量降低的目的。

为了在不显著增大芯部30的密度的情况下增大其有效刚度，增强纤维38(参见图3中)被缝合通过该芯部30并通过复合铺层28的至少一部分。纤维38可利用具有高拉伸强度的任何纤维形成。在所示示例中，与用于制造上述条带的纤维相似，纤维38包括由中间模量(modulus)碳纤维构成的丝束(tow)。适用材料的另一示例是碳纳米纤维。